Тепловые явления при резании.

Одним из физических процессов, сопровождающих стружкообразование и разрушение материала при резании, является тепловыделение. Практически вся механическая работа, затрагиваемая на срезание припуска с заготовки, превращается в тепло. Теплота генерируется в результате упругопластического деформирования материала заготовки в зоне стружкообразования, трения стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента, трения задних поверхностей инструмента о поверхность резания и обработанную поверхность заготовки.

В зависимости от технологического метода и условий обработки стружкой отводится 25 — 85 % всей выделившейся теплоты, в заготовку уходит 10 -15 %, в инструмент 2 - 8 % и около 1 % в окружающую среду.

Теплообразование отрицательно влияет на процесс резания. Нагрев режущего лезвия может доходить до 800 - 1000 ° С. Это вызывает структурные изменения в металле, снижается твердость инструмента и, соответственно, теряются режущие свойства.

Сила резания.

В процессе резания на лезвие инструмента действуют силы сопротивления перемещению его по траектории относительного рабочего движения.Результирующая этих сил называется силой резания.

Взаимодействие режущего инструмента с обрабатываемым материалом осуществляется через контактные площади, расположенные на задней поверхностях режущего лезвия. Обрабатываемый материал, оказывая сопротивление рабочему движению инструмента, воздействует на контактные площадки неравномерно распределенной нагрузкой. Закон распределения давления по передней и задней поверхностям выглядит следующим образом.

Рис.16. Распределение давления на передней и задней поверхности.

На передней поверхности наибольшее давление Р_maх действует вблизи главной режущей кромки (точка 1). По мере удаления от нее давления Р убывает, и в точке 2, в которой прекращается контакт сбегающей стружки с лезвием, давление равно 0. Ширина 1-2 контактной площадки при образовании хрупких материалов, например чугуна, равна или немного больше толщины срезаемого слоя. При обработке пластичных материалов ширина контактной площадки в 1,5... 3 раза больше толщины срезаемого слоя. На заднюю поверхность лезвия также действует неравномерно распределенная нагрузка на Р'.

Для решения практических задач, распределенную нагрузку на лезвие заменяют эквивалентной по значению и направлению действия результирующей силой резания Р. Для удобства расчетов результирующую силу Р раскладывают на составляющие. Для этого вводят систему координат. Ось X располагается горизонтально и параллельна оси вращения обрабатываемой заготовки; ось Z вертикальна и направлена вниз. Вектор равнодействующей силы Р может быть проецирован на оси X,Y, Z. Проекция силы Р на ось X называется осевой составляющей силы резанья.

Рис.17. Силы, действующие на резец.

Осевая составляющая Р_ос равна сопротивлению обрабатываемого материала врезанию резца в направлении подачи S и действующих в этом направлении сил трения. Значение осевой составляющей Р_ос необходимо знать при расчетах на прочность опор и механизма подач станка. Проекция силы Р на ось Y называется радиальной составляющей Р силы резания.

Она изгибает обрабатываемую заготовку в горизонтальной плоскости, что может служить причиной снижения точности обработки длинных заготовок, а такжевызывает нежелательные вибрации.

Проекция силы Р на ось Z называется вертикальной или главной составляющей Р силы резания. Если точка приложения равнодействующей линии на высоте оси вращения заготовки, то направления вертикальной составляющей Р и вектора окружной скорости заготовки совпадают. Вертикальная составляющая силы резания Р равна суммарному действию сил сопротивления металла срезаемого слоя пластической деформации стружкообразования, разрушения, связанного с образованием новых поверхностей, изгиба стружки и сил трения, действующих в направлении оси Z.

Мощность процесса резания.

Для разрушения материала срезаемого слоя и превращения его в стружку необходимо затратить некоторое количество энергии и произвести работу резания. Мощность, непосредственно затрачиваемая на осуществление процесса резания, называется эффективной мощностью и обозначается N_e. Если при резании направления действующей силы резания Р и скорости резания V совпадают, то Ne = 60 PV

Если выразить Р в килоньютонах, а V м/мин., то получим единицу мощности - килловатт.

Эффективная мощность N_e в общем случае является суммарной мощностью, затраченной в процессе резания всеми составляющими Р_х, Р_у и P_z силы резания Р.

Мощность осевой составляющей силы резания N_ex = Р_х • n • S, где n-частота вращения обрабатываемой заготовки; S - продольная подача.

Мощность радиальной составляющей силы резания

N_ey = Р_у • V • cos90 ° = 0, т.к. вектор Р_у перпендикулярен вектору V.

Мощность вертикальной составляющей силы резания P_z, направление которой совпадает с направлением скорости резания, определяется уравнением

Следовательно, эффективная мощность с использованием этих уравнений определяется как N_e = N_ex +N_ey +N_ez = P_x • n • S + P_z • V.

Скорость подачи, выраженная произведением n • S, примерно на два порядка меньше окружной скорости V. Поэтому мощность N составляет 1...2 % всей затраченной эффективной мощности, а основная доля эффективной мощности (98...99 %) приходится на составляющую N_ez. В связи с этим расчет эффективной мощности производится по уравнению

N_e = 60 PV

где под величиной Р условно принимается вертикальная составляющая P_z силы резания.

Нарост при резании металла. При обработке пластичных металлов резанием на передней поверхности лезвия инструмента образуется сильно спрессованный слой обрабатываемого материала, который называется наростом.

Стружка оказывает на переднюю поверхность резца очень большое давление, между ними возникают большие силы сцепления при обработке некоторых металлов. В результате происходит как бы слипание двух металлов: нижних частиц стружки с передней гранью резца. Слипание, а также сопротивление неровностей передней поверхности резца движению стружки, создают силу трения, которая препятствует ее сходу. Когда эта сила становится больше сил связи между частицами металла стружки, нижние слои стружки как наиболее спрессованные в процессе резания отделяются от остальной части стружки и задерживаются, или, как говорят, застаиваются на передней поверхности резца. Постепенно наслаиваясь друг на друга, они образуют между стружкой и передней поверхностью резца неподвижный,плотный, сильно спрессованный слой.

В процессе обработки резанием размеры и форма нароста непрерывно меняются в результате действия сил трения между отходящей стружкой и внешней поверхностью нароста. Частицы нароста постоянно уносятся стружкой, увлекаются обработанной поверхностью заготовки, иногда нарост целиком срывается с передней поверхности лезвия инструмента и тут же вновь образуется.

Объясняется это тем, что нарост находится под действием силы трения, сил сжатия Р ₁ и Р₂ и силы растяжения Q (Рис. 18).

Рис.18. Схема образования нароста.

С изменением размеров нароста меняется соотношение действующих сил. Когда сумма сил Р ₁, Р₂ и Q становится больше силы трения F, происходит разрушение и срыв нароста.

Нарост существенно влияет на процесс резания и качества обработанной поверхности заготовки, т.к. при наличии нароста меняются условия стружкообразования.

Положительное влияние нароста состоит в том, что при наличии его меняется форма передней поверхности лезвия инструмента, это приводит к увеличению переднего угла, а следовательно, к уменьшению силы резания. Вследствие высокой твердости нарост способен резать металл. Нарост удаляет центр давления стружки от главной режущей кромки, в результате чего уменьшается износ режущего инструмента по передней поверхности лезвия. Улучшается теплоотвод от режущего инструмента.

Отрицательное влияние нароста состоит в том, что он увеличивает шероховатость обработанной поверхности. Частицы нароста, внедрившиеся вобработанную поверхность, при работе детали с сопрягаемой деталью вызывают повышенный износ пары. Вследствие изменения наростом геометрических параметров режущего инструмента меняются размеры

обрабатываемой поверхности в поперечных диаметральных сечениях по длине заготовки и обработанная поверхность получается волнистой. Вследствие изменения переднего угла инструмента меняется сила резания, что вызывает вибрацию узлов станка и инструмента, а это в свою очередь ухудшает качество обработанной поверхности.

Следовательно нарост оказывает благоприятное действие при черновой обработке и вреден при чистовой.